工程热力学第五版热力学第一定律方案

第三章

热力学第一定律TheFirstLawofThermodynamics第三章

热力学第一定律TheFirstLawofTh§3-1热力学第一定律的本质

1909年，C.Caratheodory最后完善热一律本质：能量转换及守恒定律在热过程中的应用

18世纪初，工业革命，热效率只有1%

1842年，J.R.Mayer阐述热一律，但没有

引起重视

1840-1849年，Joule用多种实验的一致性证明热一律，于1850年发表并得到公认§3-1热力学第一定律的本质1909年，C.CConservationofenergyOneofthemostfundamentallawsofnature“Duringaninteraction,energycanchangefromoneformtoanotherbutthetotalamountofenergyremainsconstant”EnergycannotbecreatedordestroyedConservationofenergyOneoft

迈耶是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。1845年迈耶发表了《论有机体的运动与物质代谢关系》。1848年将他的热功理论运用到宇宙。1851年迈耶出版了《论热的机械当量》。迈耶是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的焦耳实验1、重物下降，输入功，绝热容器内气体T

2、绝热去掉，气体T

，放出热给水，T

恢复原温。焦耳实验1、重物下降，输2、绝热去掉，气焦耳实验水温升高可测得热量，

重物下降可测得功热功当量1cal=4.1868kJ工质经历循环:Mechanicalequivalentofheat焦耳实验水温升高可测得热量，热功当量工质经历循环:Mecha闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热一律又可表述为“第一类永动机是不可能制成的”Perpetual–motionmachineofthefirstkind闭口系循环的热一律表达式要想得到功，必须花费热能或其它能量热QPerpetual–motionmachineofthefirstkind锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器WnetQout电加热器QPerpetual–motionmachineof§3-2热一律的推论

热力学能热力学能的导出闭口系循环Thermoalenergy§3-2热一律的推论热力学能热力学能的导出闭口系循环Th热力学能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数pV12abc热力学能的导出对于循环1a2c1对于循环1b2c1状态参数p热力学能及闭口系热一律表达式定义dU=

Q

-

W

热力学能U

状态函数

Q=

dU

+

WQ=

U

+

W闭口系热一律表达式！！！两种特例

绝功系

Q

=

dU

绝热系

W=-

dU热力学能及闭口系热一律表达式定义dU=热力学能U的物理意义dU=

Q

-

W

W

Q

dU

代表某微元过程中系统通过边界交换的微热量与微功量两者之差值，也即系统内部能量的变化。

U代表储存于系统内部的能量

内储存能（内能、热力学能）热力学能U的物理意义dU=Q-WW内能的组成分子动能分子位能bindingforces化学能chemicalenergy核能nuclearenergy内能microscopicformsofenergy

移动translation转动rotation振动vibration内能的组成分子动能内能microscopicformso系统总能totalenergy外部储存能macroscopicformsofenergy宏观动能kinetic

Ek=mc2/2宏观位能potential

Ep=mgz机械能系统总能E

=

U

+

Ek

+Epe

=

u

+ek

+

ep一般与系统同坐标，常用U,dU,u,du系统总能totalenergy外部储存能macrosco内能的说明

内能是状态量statepropertyU:

广延参数[kJ]

u

:

比参数

[kJ/kg]

内能总以变化量出现，内能零点人为定内能的说明内能是状态量stateproperty热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-TotalenergyenteringthesystemTotalenergy

leaving

thesystemChangeinthetotalenergyofthesystem=-热一律的文字表达式热一律:能量守恒与转换定律=进入系统的能一热量二功量三随物质流传递的能量四焓及其物理意义第二节系统与外界传递的能量一热量二功量三随物质流传递的能量四焓及其物理意义第二系统与外界传递的能量

功随物质传递的能量

热量外界热源外界功源外界质源系统系统与外界传递的能量功随物质传递的能量热量外界热源外界功一热量热量是在温差作用下，系统与外界通过界面传递的能量。但热力学中的热量可以理想化为可逆传递。

热量系统边界热力学能/热能（俗称）

过程量状态量规定：系统吸热热量为正，系统放热热量为负单位：kJ

或kcal且lkcal=4.1868kJ一热量热量是在温差作用下，系统与外界通过界面传递的能量。但二功量外界功源有多种形式，所以也有多种形式的功。工程热力学主要研究“膨胀功”和“轴功”。除温差以外的其它不平衡势差所引起的系统与外界传递的能量.定义:二功量外界功源有多种形式，所以也有多种形式的功。工程热力学1膨胀功（容积功）w：

压差作用下，工质容积变化而传递的机械功，如蒸汽机。

热转换为功，必然有膨胀功。闭口系统通过系统界面转递，开口系统的膨胀功是技术功的一部分，可通过转轴形式传递。规定:

系统对外作功为正，外界对系统作功为负。1膨胀功（容积功）w：压差作用下，工质容系统容积变化是作膨胀功的“必要条件”。

系统容积增大，膨胀功为正，容积减小，膨胀功为负。

作膨胀功除工质容积变化，还应有功的传递和接收者。系统容积变化是作膨胀功的“必要条件”。系统容2轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。

传入系统的轴功若耗散成系统的热力学能，则此过程是不可逆过程。（搅拌做功加热）规定：系统输出轴功为正功

系统输入轴功为负功2轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。传入系统的轴

开口系统可以与外界传递轴功（输入或输出），

轴功可以由热能转换，也可由其它机械能转换如风机、压气机等。（水轮机等）开口系统可以与外界传递轴功（输入或输出），轴功可以由三随物质流传递的能量

开口系统与外界随物质流传递的能量包括：1流动工质本身具有的热力学能、宏观动能和重力位能。2流动功（推动功）wf：（流入和流出）

为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，是维持流体正常流动所必须传递的能量。u+c2/2+gz三随物质流传递的能量开口系统与外界随物质流传递的能量包括流动功的表达式pApVdl

功＝力×位移Wf=（p

A）

dl

=pV

w推=pv流动功的表达式pApVdl功＝力×位移

推动1kg工质进入控制体内所需的流动功，可按工质在入口界面处的状态参数p1v1来计算；

将1kg工质推出控制体外所需的流动功，可按工质在出口界面处的状态参数p2v2来计算；1kg工质进、出控制体净流动功为：wf=p2v2-p1v1推动1kg工质进入控制体内所需的流动功，可按工对流动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2、w推＝pv与所处状态有关，是状态量3、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界（泵与风机）做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统时所携带和所传递的一种能量对流动功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，流动功不存在2、四焓及其物理意义

流动工质传递的总能量，包括物质流本身储存能量和流动功，即：或PV+mgzU++mc221pvgzc2u+++21以上u、pv均取决于工质的热力状态四焓及其物理意义流动工质传递的总能量，包括物则

H或h称为焓值，它也是状态参数。令

H=U+PV或

h=u+pv＝u+RT

思考：对理想气体：h=f(T)？则令思考：对理想气体：h=f(T)？焓的物理意义：1对于流动工质，焓=内能+流动功，是流动工质向流动前方传递的总能量中“取决于热力状态”的那部分能量。2对不流动工质，焓是一个复合状态参数，没有明确的物理意义。焓的物理意义：1对于流动工质，焓=内能+流动功，§3-3闭口系能量方程

W

Q一般式

Q

=dU

+

W

Q

=

U

+

W

q

=

du

+

w

q

=

u

+

w单位工质适用条件：

1）任何工质

2)任何过程EnergybalanceforclosedsystemPointfunction---Exactdifferentials---dPathfunction---Inexactdifferentials---

§3-3闭口系能量方程WQ一般式Q=dU闭口系能量方程中的功功

（

w）

是广义功

闭口系与外界交换的功量

q

=du

+

w准静态容积变化功pdv拉伸功

w拉伸=-

dl表面张力功

w表面张力=-

dA

w

=

pdv

-

dl

-

dA

+…...闭口系能量方程中的功功（w）是广义功q=du闭口系能量方程的通式

q

=du

+

w若在地球上研究飞行器

q

=

de

+

w

=

du

+

dek

+

dep

+

w

工程热力学用此式较少闭口系能量方程的通式q=du+w若在地球上研究飞准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程

w=pdv简单可压缩系可逆过程

q=Tds

q

=

du

+

pdv

q

=

u

+

pdv热一律解析式之一Tds=du+pdv

Tds=

u+pdv热力学恒等式准静态和可逆闭口系能量方程简单可压缩系准静态过程w=p门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统

绝热闭口系闭口系能量方程T电冰箱RefrigeratorIcebox门窗紧闭房间用电冰箱降温以房间为系统绝热闭口系闭门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统

闭口系闭口系能量方程T空调QAir-condition门窗紧闭房间用空调降温以房间为系统闭口系闭口系能§

3-4开口系能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout能量守恒原则进入系统的能量

-离开系统的能量

=系统储存能量的变化Energybalanceforopensystem§3-4开口系能量方程WnetQminmou推进功的引入

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv这个结果与实验不符少了推进功推进功的引入WnetQminmoutuinuoutg推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdl

W推=

p

A

dl

=

pV

w推=

pv注意：不是

pdv

v没有变化Flowwork推进功的表达式推进功（流动功、推动功）pApVdlW推=对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、作用过程中，工质仅发生位置变化，无状态变化3、w推＝pv与所处状态有关，是状态量4、并非工质本身的能量（动能、位能）变化引起，而由外界做出，流动工质所携带的能量可理解为：由于工质的进出，外界与系统之间所传递的一种机械功，表现为流动工质进出系统使所携带和所传递的一种能量对推进功的说明1、与宏观流动有关，流动停止，推进功不存在2、开口系能量方程的推导

Wnet

Qpvin

moutuinuoutgzingzout

Q

+

min(u

+

c2/2

+

gz)in-

mout(u

+

c2/2

+gz)out

-

Wnet

=

dEcv

minpvout开口系能量方程的推导WnetQpvinmoutuinu开口系能量方程微分式

Q

+

min(u

+

pv+c2/2

+

gz)in-

Wnet

-

mout(u

+

pv+c2/2

+gz)out

=

dEcv工程上常用流率开口系能量方程微分式Q+min(u+pv+c2开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在开口系能量方程微分式当有多条进出口：流动时，总一起存在焓Enthalpy的引入定义：焓

h

=u

+

pvhh开口系能量方程焓Enthalpy的引入定义：焓h=u焓Enthalpy的说明

定义：h

=

u

+

pv[kJ/kg]

H

=

U

+

pV

[kJ]1、焓是状态量stateproperty2、H为广延参数

H=U+pV=

m(u+pv)=mh

h为比参数3、对流动工质，焓代表能量(内能+推进功)

对静止工质，焓不代表能量4、物理意义：开口系中随工质流动而携带的、取决

于热力状态的能量。焓Enthalpy的说明定义：h=u+pv§3-5

稳定流动能量方程

Wnet

Q

min

moutuinuoutgzingzout稳定流动条件1、2、3、轴功Shaftwork每截面状态不变4、Energybalanceforsteady-flowsystems§3-5稳定流动能量方程WnetQminmout稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导稳定流动条件0稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程的推导1kg工质稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程Energybalanceforsteady-flowsystems稳定流动能量方程适用条件：任何流动工质任何稳定流动过程Ene技术功technologywork动能工程技术上可以直接利用轴功机械能位能技术功technologywork动能工程技术上可以直接单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积变化功等价技术功单位质量工质的开口与闭口wsq稳流开口系闭口系(1kg)容积稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等价轴功ws推进功

(pv)几种功的关系？稳流开口与闭口的能量方程容积变化功w技术功wt闭口稳流开口等几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源ws几种功的关系wwt△(pv)△c2/2wsg△z做功的根源对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情况下忽略动、位能的变化1、闭口系，系统与外界交换的功为容积变化功wws

wt对功的小结2、开口系，系统与外界交换的功为轴功ws3、一般情准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二准静态下的技术功准静态准静态热一律解析式之一热一律解析式之二技术功在示功图上的表示技术功在示功图上的表示机械能守恒对于流体流过管道，

压力能

动能

位能机械能守恒柏努利方程Bernoulli’sequation机械能守恒对于流体流过管道，压力能动能§

3-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略动、位能变化§3-6稳定流动能量方程应用举例热力学问题经常可忽略例1：透平(Turbine)机械火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站燃气轮机蒸汽轮机SteamturbineGasturbine例1：透平(Turbine)机械火力发电飞机发动机燃气轮机蒸透平(Turbine)机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2>0输出的轴功是靠焓降转变的透平(Turbine)机械1)体积不大2）流量大3）保温层例2：压缩机械Compressor火力发电核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机水泵制冷空调压缩机例2：压缩机械Compressor火力发电飞机发动机压气机压缩机械1)

体积不大2）流量大3）保温层q

0ws

=-△h

=

h1-

h2<0输入的轴功转变为焓升压缩机械1)体积不大2）流量大3）保温层q0ws例3：换热设备HeatExchangers火力发电：锅炉、凝汽器核电：热交换器、凝汽器制冷空调蒸发器、冷凝器例3：换热设备HeatExchangers火力发电：锅炉、换热设备热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’h2’冷流体吸热量：焓变换热设备热流体放热量：没有作功部件热流体冷流体h1h2h1’例4：绝热节流ThrottlingValves管道阀门制冷空调膨胀阀、毛细管例4：绝热节流ThrottlingValves管道阀门制冷绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没有作功部件绝热绝热节流绝热节流过程，前后h不变，但h不是处处相等h1h2没例5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机轮船发动机移动电站压气机静叶NozzlesandDiffusers例5：喷管和扩压管火力发电蒸汽轮机静叶核电飞机发动机压气机静喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓变相互转换速度降低，压力升高动能参与转换，不能忽略喷管和扩压管喷管目的：压力降低，速度提高扩压管目的：动能与焓第三章小结Summary1、本质：能量守恒与转换定律=进入系统的能量离开系统的能量系统内部储存能量的变化-第三章小结Summary1、本质：能量守恒与转换定律=通用式2、热一律表达式：通用式2、热一律表达式：稳流：dEcv/

=0通用式稳流：dEcv/=0通用式闭口系：

通用式闭口系：通用式

通用式循环dEcv

=0out

=in通用式循环dEcv=0out=in孤立系：

通用式

孤立系：通用式3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质，准静态过程任何工质，任何稳流过程或忽略动、位能变化3、热力学第一定律表达式和适用条件任何工质，任何过程任何工质4、准静态下两个热力学微分关系式

适合于闭口系统和稳流开口系统后续很多式子基于此两式4、准静态下两个热力学微分关系式适合于闭口系统和5、u与h

U,H

广延参数u,

h

比参数

U

系统本身具有的内部能量H

不是系统本身具有的能量，开口系中随工质流动而携带的，取决于状态参数的能量

5、u与hU,H广延参数6、四种功的关系

准静态下闭口系过程开口系过程6、四种功的关系准静态下闭口系过程开口系过程第三章讨论课Discussion思考题

工质膨胀是否一定对外作功？做功对象和做功部件定容过程是否一定不作功？开口系，技术功定温过程是否一定不传热？相变过程（冰融化，水汽化）水轮机第三章讨论课Discussion思考题工质对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能对工质加热，其温度反而降低，充气问题与取系统习题2-9

储气罐原有气体m0,u0输气管状态不变，h经

时间充气，关阀储气罐中气体m求：储气罐中气体内能u’

忽略动、位能变化，且管路、储气罐、阀门均绝热m0,u0h充气问题与取系统习题2-9储气罐原有气体m四种可取系统1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统闭口系3）取将进入储气罐的气体为系统m0,u0h闭口系4）取储气罐原有气体为系统闭口系四种可取系统1）取储气罐为系统开口系2）取最终罐中气体为系统1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化h绝热无作功部件无离开气体1)取储气罐为系统(开口系)忽略动位能变化h绝热无作功部件无1)取储气罐为系统(开口系)经

时间充气，积分概念hh是常数1)取储气罐为系统(开口系)经时间充气，积分概念hh是常数2）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m02）取最终罐中气体为系统(闭口系)hm0m-m0绝热m-m03）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1m-m0对m0作功W1??m-m03）取将进入储气罐的气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与4）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-m0有温差传热Q1’m0得m-m0作功W1’??4）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0m0与m-4）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m04）取储气罐原有气体为系统(闭口系)m0hm-m0利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化h内能变化：取储气罐为系统(开口系)进：出：m0,u0利用热一律的文字表达式进－出＝内能变化h内能变化：取结果说明1）取系统不同，考虑的角度不同开口系反映为质量携带焓2）若m0＝0，m0,u0h闭口系反映作功结果说明1）取系统不同，开口系反映为质量携带焓2）若m0＝0充气终温的计算已知：理想气体求：储气罐中气体终温m0=0h两种算法t=15℃℃K?充气终温的计算已知：理想气体求：储气罐中气体终温m0=0h两充气终温的计算关键看u与h的零点是否相同m0=0ht=15℃℃K理想气体充气终温的计算关键看u与h的零点是否相同m0=0ht=15影响终温T’的因素说明T’与哪些因素有关？m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u’,p’,T’已知：理想气体影响终温T’的因素说明T’与哪些因素有关？m0,u0,p0,T’的表达式m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u’,p’,T’T’的表达式m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u’,p’,T’的表达式分析m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u’,p’,T’1）

T’与p无关理想气体h=f(T)2）

T’与T有关ThT’T’的表达式分析m0,u0,p0,T0h,p,Tm,u’,pT’的表达式分析m0,u0,p0,T0h,p,T>T0m,u’